节理表面特征对其动态剪切特性影响的数值分析

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岩体中节理的表面特征外在形式是多样化的,它们赋予了岩体不连续性和各向异性的特征。这些不同形貌的结构面会显著改变岩体的应力传播路径,影响自然条件和工程条件下岩体的力学行为。为研究节理表面特征对于动态条件下岩体剪切特性的影响,对动态作用扰动下的节理岩体稳定性计算提供理论依据,开展了含贯通节理的岩体试样的数值模拟研究。本文选取节理表面特征参数为主要研究自变量,采用含连续分布的等腰梯形起伏体的节理轮廓线。通过改变节理起伏角、起伏高度等具体参数,建立一系列具有不同表面特征参数的节理形状。为了进一步揭示节理强度和表面特征的关系,本文还设置了符合天然岩体围压状态的恒定法向刚度(CNS)边界条件,改变了法向荷载,设置了符合动态作用范畴的剪切速率,使得研究成果更加具有说服力和全面性。节理剪切的数值模拟研究采用离散元软件PFC2D 5.0 version进行。首先,基于室内单轴加载试验结合数值模拟结果,标定岩石细观参数。然后,通过岩石内应力的静态平衡过程以及节理处颗粒接触模式的重新定义模拟天然节理。在完成模型的边界条件设置之后,通过9组不同起伏角的节理模型的模拟结果,揭示了在起伏角度不同的情况下,节理峰值剪应力,剪胀效应和节理破坏形式的异同。通过4组不同起伏高度的节理模型的模拟结果,说明了起伏高度与峰值剪应力的正相关性以及其对于节理剪胀效应和破坏形式的影响。通过法向应力-位移呈现出的线性关系,验证了恒定法向刚度(CNS)设置的有效性。通过裂纹扩展数目、方向分布特征,分析了不同应力、不同表面特征情况下节理破坏模式的异同。对于不同工况下峰值剪应力的模拟结果进行分析,发现节理起伏角和节理起伏高度均显著增强了低法向应力作用下的峰值剪应力、裂纹扩展规模和剪胀效应,使得节理的破坏模式逐渐由表面磨损转为起伏体的剪断。同时,恒定法向刚度条件下,当法向应力接近面壁抗压强度时,剪切特性对于节理表面特征的敏感性降低。模拟的结果先后使用JRC-JCS模型和Amit经验公式模型,证明了其在特定法向应力范围内模拟结果的有效性。
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